小鼠超声心动图与超声成像

摘要

本视频展示了使用安装在导轨上的高频超声探头对麻醉小鼠进行超声心动图检查的操作方法。该方法涵盖了心脏功能的传统二维和M型测量，以及更新、更强大的技术，如彩色多普勒、应变分析，以及常规和靶向对比成像。

摘要

心脏病理生理学的啮齿类动物模型是一种宝贵的研究工具，可用于研究疾病机制以及测试新的治疗方法。¹ 超声心动图提供了一种强大且无创的方法，能够对活体动物的心脏形态学和功能进行连续评估。² 然而，由于小鼠体型小且心率快，对其应用该技术存在独特的挑战。³ 直到最近，仍仅有少数超声系统能够对小鼠进行高质量的超声心动图检查，且这些系统通常缺乏获得真正定量测量结果所需足够的图像分辨率和帧率。新推出的系统（如 VisualSonics Vevo2100）为研究人员提供了精确、无创地研究小鼠心脏功能的新工具。该系统可生成高分辨率图像，并提供类似于临床人类患者所用的分析功能。尽管彩色多普勒技术在人类中已有三十多年的历史，但这种有价值的技术直到最近才得以应用于啮齿类动物超声检查。^4,5 彩色多普勒在超声心动图中具有广泛的应用，包括快速评估血管和瓣膜处的血流方向，以及快速识别瓣膜反流。应变分析是一项重要的技术进步，可用于定量测量局部心肌功能。⁶ 该技术相比传统方法，有可能更早地检测到病理变化或病理的恢复情况。结合三维图像重建技术，可实现对整个器官的容积评估，包括对心脏和血管结构的可视化与功能评估。适用于小鼠的对比增强成像还可用于容积测量和组织灌注评估。

方案

1. 成像前准备

1. 首先将经异氟烷麻醉的小鼠仰卧位固定在动物操作平台上。将鼻罩覆盖在小鼠的口鼻部位，持续输送0.5–1%异氟烷以维持麻醉状态。
2. 使用导电凝胶将小鼠的四肢固定在电极垫上。确保心电图信号正常，维持体温在37 °C，并在成像过程中监测呼吸频率以进行生理状态评估。
3. 将脱毛膏涂抹于小鼠胸部和上腹部。
4. 2分钟后，用湿润的纱布擦除脱毛膏。

2. 左胸骨旁长轴切面

1. 在准备进行成像的小鼠就位后，将平台的左侧倾斜，使动物承载平台围绕前后轴旋转30度。
2. 将换能器保持在垂直位置，并逆时针旋转10度，使缺口朝向小鼠的后侧。
3. 接下来，在二维成像/视频“B模式”下，将换能器沿左侧胸骨旁线缓慢下移，直至心脏进入视野。当肺动脉显现时，采集图像并保存。
4. 仍保持在B模式下，左右移动换能器，直至主动脉流出道和心尖进入视野。可能需要轻微旋转探头，以确保与心脏长轴正确对齐。
5. 使用视频采集获取用于后续分析的数据。尽量缩小视野范围，以确保获得尽可能高的帧率，用于下游的局部应变分析。每次采集视频时，系统将自动保存此前的100帧图像。
6. 通过选择“彩色多普勒”切换至彩色多普勒模式。尽管彩色多普勒在人类临床应用中已有30多年历史，但该技术在啮齿类动物超声中的应用仅在近年才成为可能。
7. 为快速监测血流方向与速度，彩色多普勒窗口会以红色数字化显示朝向探头的血流，蓝色表示远离探头的血流。通过图像采集获取所需图像。
8. 在获取全部彩色多普勒数据后，将仪器切换至脉冲波多普勒模式（PW Doppler），该一维视图可用于数字评估随时间变化的血流方向与速度。
9. 轻微将探头向小鼠头部方向移动，直至肺动脉进入视野。在心力衰竭背景下，肺动脉的PW/彩色多普勒测量可作为右心功能的替代指标。按需采集图像。

3. 左心室乳头肌水平短轴切面

1. 短轴超声心动图可提供整个左心室向心性收缩的视图，能够基于B型和M型超声准确评估心脏功能及形态测量。
2. 在B型模式下，从胸骨旁长轴切面开始，将探头在乳头肌水平旋转至与胸骨旁长轴切面垂直的位置。
3. 确保探头沿左心室长轴位置正确，两个乳头肌应清晰可见且彼此分离，获得水平横截面图像。
4. 使用M型时，将取样线置于心室中心并采集数据。
5. 如需要，可连接、启动并使用三维电机，获取用于完整三维重建所需的图像。
6. 生理参数设置（包括呼吸频率和心电图）用于在舒张末期触发三维图像采集。
7. 在舒张末期启动三维成像电机进行图像采集。
8. 完成舒张末期的三维图像采集后，将生理参数（包括呼吸频率和心电图）重新设置为在收缩末期触发三维图像采集。
9. 在收缩末期启动三维成像电机进行图像采集。

4. 肋下（四腔）切面

1. 测量二尖瓣的闭合功能及压力阶差时，肋下切面是最佳入路。
2. 将平台的左上角完全向下倾斜。将探头朝向小鼠的右肩方向，并保持探头的短轴旋转方位。
3. 在B模式下，将探头下移至腹部上方，使其位于膈肌下方。按照前述方法，使用彩色多普勒观察二尖瓣。

5. 主动脉视图

1. 将动物操作平台旋转至左侧卧位。平台左侧应尽可能倾斜。接着，将探头尽可能向上倾斜，沿小鼠肩胛水平的长轴方向放置。
2. 将探头沿右肩前方腋线向下移动。观察主动脉弓并采集图像。
3. 抬高小鼠头部，并将探头下移至小鼠胸骨上切迹处。使用彩色多普勒观察血流，并采集图像。

6. 代表性结果

1. 这是心脏的B模式长轴切面图像，显示左心室以及一小部分右心室。
2. 此处为另一心脏的左心室短轴切面M模式图像。上方图像显示黄色取样容积线穿过心腔中心的位置。下方图像为上述取样线随时间变化的一维轨迹，以及以青色显示的形态测量学计算结果。
3. 这是主动脉弓的B模式图像。左侧可见关闭的主动脉瓣，右侧可见为小鼠头部和上肢供血的血管。
4. 对一只在出现心脏功能障碍前的小鼠（上图所示）和一只存在全心运动减弱及区域性运动不同步的小鼠（下图所示）进行了径向应变分析。两种表型均通过横断主动脉缩窄术诱导，该方法是模拟后负荷增加的小鼠模型。
5. 图中，x轴表示时间，y轴表示径向应变（以百分比表示）。应变分析可实现对心脏局部功能的评估，而传统技术（如M模式）仅直接测量前壁和后壁功能，可能忽略这些局部异常。
6. 前游离壁以绿色显示。侧壁以粉红色线条表示。后壁以青色显示。下壁游离壁以蓝色显示。后间隔壁以黄色显示。前间隔以洋红色显示，平均值以黑色表示。

图 1. B 模式下左胸骨旁长轴切面。

图2. M型超声中的左心短轴切面。

图3. B模式下主动脉弓的图像。

图 4. 两例小鼠在 TAC 术后 12 周的径向应变分析。绿色 = 前游离壁。粉色 = 侧壁。青色 = 后壁。蓝色 = 下游离壁。黄色 = 后间隔壁。洋红色 = 前间隔。黑色 = 平均值。A) 心功能保留的小鼠。B) 存在全心运动减弱及区域性不同步的小鼠。

讨论

连续高频超声心动图已成为一种强大的无创性工具，可用于高分辨率评估心脏形态和功能，尤其适用于小鼠心脏疾病模型。在获取图像前，通过调整麻醉深度以维持生理体温以及小鼠间相似的心率，对该方法的成功实施至关重要。所有图像均应采用相同的生物标志位点进行采集（例如，在乳头肌水平处的胸骨旁长轴切面）。最后，图像分析应以一致的方式进行（例如，由同一名不知分组情况的研究人员完成），以确保结果的可重复性并避免偏倚。

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
Vevo 2100 成像系统（120V）	VisualSonics, inc.	VS-11945
Vevo 2100 成像工作站 1	VisualSonics, inc.	SA-11982
超声耦合剂	Parker Laboratories Inc.	01-08
异氟烷	Abbott Laboratories	05260-05
Vevo 紧凑型双麻醉系统	VisualSonics, inc.	SA-12055